崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室大豆種子創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家田志喜作為通訊作者，在Cell期刊上發(fā)表了題為：Genomic atlas of 8,105 accessions reveals stepwise domestication, global dissemination, and improvement trajectories in soybean?的封面論文。研究系統(tǒng)調(diào)查了8,105份大豆種質(zhì)資源在馴化、傳播與改良過程中受選擇的基因。首次發(fā)現(xiàn)黑大豆是馴化過程中的關(guān)鍵中間類型，大豆馴化性狀呈現(xiàn)階梯式選擇模式。通過對(duì)比不同地理區(qū)域和歷史時(shí)期的種質(zhì)資源，鑒定出眾多參與性狀改良與環(huán)境適應(yīng)的選育基因，并揭示了中國(guó)大豆改良育種重點(diǎn)隨時(shí)間演變的動(dòng)態(tài)變化。構(gòu)建了首個(gè)大豆QTN庫與在線變異數(shù)據(jù)庫，為未來高產(chǎn)、高油、高蛋白大豆的精準(zhǔn)育種提供了重要基因資源與平臺(tái)。
PART.01｜研究設(shè)計(jì)與方法
技術(shù)路線
對(duì)8105個(gè)大豆種質(zhì)資源進(jìn)行全基因組分析揭示大豆逐步馴化的過程，黑豆作為其中重要進(jìn)化中間體；通過對(duì)比不同地理區(qū)域和歷史時(shí)期的種質(zhì)資源，鑒定出眾多參與性狀改良與環(huán)境適應(yīng)的選育基因并構(gòu)建了一個(gè)變異數(shù)據(jù)庫。
研究背景
過去60年全球大豆產(chǎn)量增長(zhǎng)約13倍。面對(duì)全球人口持續(xù)增長(zhǎng)帶來的需求激增，大幅提升大豆產(chǎn)量已刻不容緩；在生產(chǎn)中，重點(diǎn)培育植株挺拔、莖稈強(qiáng)健、種子粒徑增大及含油量提升等性狀；在傳播中，著重培育適應(yīng)光周期變化、溫度波動(dòng)、病害侵襲等多樣化環(huán)境條件的特性。解析大豆馴化、傳播等過程中的遺傳變化機(jī)制；鑒定性狀選擇的關(guān)鍵基因；揭示在自然種群中的遺傳多樣性。將有力推動(dòng)育種計(jì)劃，提升作物產(chǎn)量、抗逆能力。
研究材料
多項(xiàng)已發(fā)表研究的總共8,105份大豆種質(zhì)的重測(cè)序數(shù)據(jù)。該群體包含1,334份野生種、1,045份地方品種、5,716份栽培種及10份半野生種，地理來源覆蓋全球主要大豆產(chǎn)區(qū)。
研究方法
1. 基因組結(jié)構(gòu)與遺傳多樣性分析
? ?群體結(jié)構(gòu)分析、連鎖不平衡分析、基因流分析
2.擇信號(hào)檢測(cè)與關(guān)聯(lián)分析
? ?選擇信號(hào)識(shí)別、全基因組關(guān)聯(lián)分析、單倍型分析
3.基因功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
? ?載體構(gòu)建與遺傳轉(zhuǎn)化、亞細(xì)胞定位、分子互作實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)錄活性分析
PART.02｜主要成果
8105份大豆種質(zhì)的遺傳變異
將68.19 Tb的測(cè)序數(shù)據(jù)比對(duì)至（ZH13 v2.0）參考基因組，鑒定出4,856萬個(gè)SNPs和1,082萬個(gè)Indels，變異主要集中在基因間區(qū)與內(nèi)含子區(qū)（圖1B）。群體遺傳分析證實(shí)，野生大豆的遺傳多樣性最高（圖1C），連鎖不平衡水平最低（圖1D）。
黑豆的基因組結(jié)構(gòu)揭示了大豆馴化的潛在起源
群體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)發(fā)育分析表明，所有野生品系聚為一個(gè)單一組；同時(shí)，地方品種和改良品種的分類與其地理分布呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性（圖2B和2C）。某些栽培大豆具有與其他栽培大豆顯著不同的獨(dú)特基因組結(jié)構(gòu)。這些材料大多被歸類為黑豆，其特征是具有獨(dú)特的黑色種皮。
黑豆群體可分為黃淮地區(qū)和西北地區(qū)兩大亞群，大豆可能存在至少兩個(gè)獨(dú)立的馴化中心，為長(zhǎng)期存在的馴化起源爭(zhēng)議提供了新線索。TreeMix、D統(tǒng)計(jì)等多重分析均證實(shí)，野生大豆、黑豆及其他栽培亞群之間存在復(fù)雜的基因流歷史（圖3A）。黑豆作為馴化的中間類型，在與野生和栽培群體的持續(xù)基因交流中，作為了重要中間環(huán)節(jié)。
大豆馴化過程中農(nóng)藝性狀逐步選擇
使用FST、?XP-CLR、π以及RAiSD方法進(jìn)行全基因組掃描，在野生大豆與黑豆間檢測(cè)到135個(gè)高質(zhì)量選擇性清除位點(diǎn)，在黑豆與地方品種間鑒定出了486個(gè)選擇性清除位點(diǎn)。證實(shí)了種皮顏色的馴化發(fā)生在種子形態(tài)和品質(zhì)之后（圖3B）。
檢測(cè)并比較野生大豆→黑大豆→地方品種的選擇信號(hào)（圖3C）。GmSHAT1-5，GmNST1A等基因在莢果開裂性狀分析中被篩選出來，GmNST1A（GmSHAT1 - 5的同源基因）曾被推測(cè)具有類似功能，可調(diào)控大豆的莢果開裂現(xiàn)象，黑豆主要攜帶與野生大豆相同的單倍型（全長(zhǎng)型，定義為Hap2），而地方品種和栽培品種則傾向于攜帶導(dǎo)致提前終止密碼子的單核苷酸突變（截短型，定義為 Hap1），從而導(dǎo)致47個(gè)氨基酸的缺失（圖3D和3E）。通過酵母單雜交試驗(yàn)證實(shí)，GmNST1A 與GmSHAT1 - 5啟動(dòng)子結(jié)合，發(fā)現(xiàn)GmNST1A基因在馴化過程中影響豆莢炸裂的潛在分子機(jī)制。
作者提出了一種馴化模型（圖3F）：早期選擇聚焦于產(chǎn)量與成熟期等核心性狀，后期則在此基礎(chǔ)上增強(qiáng)了對(duì)種皮顏色、休眠期等次級(jí)性狀的改良。整個(gè)過程伴隨著不同群體間復(fù)雜的基因流 ，最終塑造了現(xiàn)代栽培大豆的基因組。
大豆傳播路線上不同的選擇
通過Tajima's D值進(jìn)行判定。已知基因被分為四類：開花時(shí)間（藍(lán)色）、生物與非生物脅迫（紫色）、產(chǎn)量相關(guān)（紅色）以及油脂與蛋白質(zhì)含量（綠色）。通過Tajima's D信號(hào)，分析了大豆沿全球擴(kuò)散路徑發(fā)生的適應(yīng)性選擇。結(jié)果表明，許多關(guān)鍵農(nóng)藝性狀基因，尤其與開花時(shí)間、生長(zhǎng)習(xí)性和品質(zhì)相關(guān)的基因，在不同地理區(qū)域經(jīng)歷了差異化選擇（圖4A），緯度適應(yīng)是其中的一個(gè)典型特征。以開花期主效基因E2為例，GWAS分析證實(shí)其為緯度適應(yīng)的關(guān)鍵QTL（圖4B），其不同單倍型（Hap1/Hap2）分別在高、低緯度地區(qū)富集（圖4C）。
定向選擇與平衡選擇在促進(jìn)植物適應(yīng)方面也發(fā)揮了重要作用。利用Tajima's D統(tǒng)計(jì)量，鑒定出大量受平衡選擇的基因（圖4D）。在大豆開花網(wǎng)絡(luò)中起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用的基因中：多個(gè)開花促進(jìn)因子（如FT2a/E9）受到定向選擇，以確保開花基礎(chǔ)的穩(wěn)定性；而多個(gè)開花抑制因子（如FT1a）則受到平衡選擇，靈活調(diào)整開花時(shí)間（圖4E）。這種“定向選擇固定主效基因、平衡選擇維持調(diào)控靈活性”的模式，可能是大豆廣泛適應(yīng)性的重要遺傳基礎(chǔ)。
中國(guó)不同時(shí)期育種過程中的選擇
通過對(duì)不同時(shí)期大豆的百粒重、蛋白質(zhì)含量及油脂含量進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)這些特征的差異程度，將大豆品種劃分為四個(gè)時(shí)期組別：1960年前（n =157）、?1960-1980年（n =275）、1980-2000年（n =479）及2000-2020年（n =608）。1960年至1980年期間蛋白質(zhì)含量略有增加，油含量下降。此后，百粒重和油含量持續(xù)增加，蛋白質(zhì)含量顯著下降（圖5A）。性狀變化表明大豆育種重點(diǎn)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，最初側(cè)重于高蛋白品種，隨后在后期階段重點(diǎn)轉(zhuǎn)向培育高產(chǎn)和高油大豆品種，與市場(chǎng)需求變化吻合。對(duì)四個(gè)時(shí)期的遺傳選擇進(jìn)行了比較分析，整個(gè)育種歷史中存在大量選擇性清除區(qū)域（圖5B），與產(chǎn)量相關(guān)的基因選擇壓力在后期增強(qiáng)，比如育種策略從選擇大粒相關(guān)基因（如GmCYP78A10）轉(zhuǎn)向優(yōu)化株型基因（如SPL9c）。
油脂和蛋白質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)（圖5C），但協(xié)同改良二者是育種的理想目標(biāo)。為發(fā)掘關(guān)鍵基因，以“總油+蛋白含量”為性狀進(jìn)行GWAS分析，在13號(hào)染色體上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)候選基因GmSWEET30a（圖5D和5E）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，GmSWEET30a啟動(dòng)子區(qū)的一個(gè)優(yōu)異單倍型（Hap2）能顯著提升“總油+蛋白”含量 (圖5F)。分子實(shí)驗(yàn)證實(shí)，Hap2啟動(dòng)子具有更強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄活性(圖5G)。通過CRISPR-Cas9基因敲除技術(shù)，證明GmSWEET30a及其同源基因GmSWEET30b是協(xié)同調(diào)控大豆油分和蛋白質(zhì)積累的關(guān)鍵正向調(diào)控因子，敲除后“總油+蛋白”含量顯著下降 (圖5H)。這一發(fā)現(xiàn)為打破油分-蛋白負(fù)相關(guān)、實(shí)現(xiàn)協(xié)同改良提供了寶貴的基因資源和育種靶點(diǎn)。
受選擇基因的遺傳變異數(shù)據(jù)庫
為指導(dǎo)未來育種，本研究構(gòu)建了一個(gè)關(guān)鍵基因變異數(shù)據(jù)庫，并分析了223份中國(guó)核心骨干親本的單倍型分布。分析發(fā)現(xiàn)，雖然部分產(chǎn)量（如BIGSEEDS1）和品質(zhì)（如GmSWEET10a）基因的優(yōu)異等位基因已被高度固定，但GmSSS1（籽粒大?。mZF392（油脂）等基因仍存在巨大的遺傳改良潛力（圖6A）。
現(xiàn)代育種的強(qiáng)選擇壓力也帶來了負(fù)面影響?，F(xiàn)代大豆育種中對(duì)高產(chǎn)、抗病和高油含量的重視導(dǎo)致了這223個(gè)骨干親本品種的遺傳多態(tài)性降低（圖6B）。I位點(diǎn)是種皮顏色的主要決定因素（圖6C），它與Rhg4（是賦予大豆抗胞囊線蟲病的重要基因，圖6D）在物理位置上緊密相鄰。在大豆馴化和改良過程中對(duì)黃色種皮顏色的選擇導(dǎo)致了栽培大豆中Rhg4優(yōu)良單倍型（Hap4）由于遺傳累贅而丟失（圖6E和6F），這解釋了黑豆通常具有更強(qiáng)抗性的現(xiàn)象。
PART.03總結(jié)
研究系統(tǒng)分析了8105份大豆材料的進(jìn)化關(guān)系和群體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)黑豆是大豆逐步馴化過程中的進(jìn)化中間體。
研究提出了大豆兩個(gè)獨(dú)立的馴化中心假說，發(fā)現(xiàn)黑豆可以分為兩個(gè)主要分支（分支1和分支2），分支1主要分布于中國(guó)的黃淮海地區(qū)，分支2主要分布于中國(guó)的西北地區(qū)（山西、陜西）。
研究系統(tǒng)分析了大豆傳播與改良過程中的時(shí)空基因選擇，挖掘到大量與生態(tài)適應(yīng)性、生產(chǎn)特性分化相關(guān)的選擇基因。
研究構(gòu)建了在線數(shù)量性狀核苷酸文庫和變異圖譜數(shù)據(jù)庫，為指導(dǎo)育種策略提供了關(guān)鍵資源。
